(57)【要約】      （修正有）【課題】溶融した溶湯の流動性を向上させることの出来る鋳造用金属マトリックス複合体の製造方法を提供する。【解決手段】ＳｉＣ粉末と該ＳｉＣ粉末に隣接したＡｌ合金を、完全浸透するより過剰量を用意し、プロセスの少なくともある時点で雰囲気をＮ２とし、浸透増進剤を用意し、該Ａｌ合金の融点より高い温度でＳｉＣ粉末に該Ａｌ合金を自発的に浸透させて、浸透物を生成し、該浸透物及びＡｌ合金の液化温度より高い温度を保持して溶融懸濁物を形成し、該浸透物及びＡｌ合金に対して、追加のAl合金を添加することなく、該溶融懸濁物を混合して分散させ、型であってその内部に有形のキャビティを有するものを用意し、該溶融懸濁物を該の型内の有形キャビティ中に注入しそして該懸濁物を冷却して有形の金属マトリックス複合体を形成することを含んでなることを特徴とする。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属マトリックス複合体を形成する方法であって、下記の工程：
ＳｉＣ粉末と該ＳｉＣ粉末に隣接したＡｌ合金を用意し、
プロセスの少なくともある時点で雰囲気をＮ２とし、浸透増進剤を用意し、 該Ａｌ合金の融点より高い温度でＳｉＣ粉末に該Ａｌ合金を自発的に浸透させて、浸透物を生成し、
該浸透物及び該Ａｌ合金の液化温度より高い温度を保持して溶融懸濁物を形成し、該浸透物及び該Ａｌ合金に対して、追加のAl合金を添加することなく、該溶融懸濁物を混合して分散させ、
型であってその内部に有形のキャビティを有するものを用意し、
該溶融懸濁物を該型内の有形キャビティ中に注入し
そして該懸濁物を冷却して有形の金属マトリックス複合体を形成すること、
を含んでなることを特徴とする金属マトリックス複合体の形成方法。
【請求項２】
前記Ａｌ合金が、金属シリコンを５〜１５重量％含むことを特徴とする請求項1記載の金属マトリックス複合体の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属マトリックス複合体を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属マトリックスとセラミックスの強化相からなる複合体製品は、強化相が有する剛性及び耐磨耗性の一部と金属マトリックスが有する延性及び靭性を併せ持つので、種々の用途に使用される。アルミニウムマトリックス複合体の製造に関しては、種々の金属プロセスが報告されており、例えば、粉末冶金法ならびに圧力鋳造、攪拌及び添加剤を使用する液体金属浸透法に基づいた方法が挙げられる。粉末冶金法の場合、粉末状の金属とセラミックス粉末等の強化材とを混合し、その後、常温成形し焼結するか、またはホットプレスする。従来のプロセスを利用した粉末冶金法による金属マトリックス複合体の製造には、得られる製品の特性に関してある種の制限があり、圧縮操作により成形するので、得られる実際の大きさが制限される。さらに、後で加工(例えば機械加工)をせずまた複雑なプレスに頼らずに得られる製品は、比較的単純な形状のものしかない。
【０００３】
アルミニウムマトリックス・アルミナ充填複合体の製造では、アルミニウムは容易にはアルミナを湿潤せず、緻密な製品を形成するのが困難となるこの問題に対しては種々の解決法が提案された。このような手法の一つとして、アルミナを金属（例えば、ニッケルまたはタングステン）で被覆後、アルミニウムとともにホットプレスする。しかしながら、これらの複合体は、性質にばらつきが見られ、被覆が充填材を劣化させる場合がある。
【０００４】
そこで最近では、上記問題を解決する製造方法として、米国ランクサイド社が開発した非加圧浸透法が特に注目されている。この方法は、ＳｉＣやＡｌ２Ｏ３などのセラミックス粉末で形成されたプリフォームに、Ｍｇを含むアルミニウムインゴットを接触させ、これをＮ２雰囲気中で７００〜９００℃に加熱して溶融したアルミニウム合金をプリフォームに含浸させる方法である。これは、ＭｇとＮ２との化学反応を利用してセラミックス粉末への溶融金属の濡れ性を改善することにより、加圧しなくても金属をプリフォームに含浸できるようにした優れた方法である。
【０００５】
そして、この製造方法で作製した複合材料をさらに溶融し、それを融解アルミニウム合金で鋳造可能なまで希釈する鋳造用の金属マトリックス複合体の形成方法も提案されている（特許2905520号公報）。この方法は、中間素材となる複合材料中のセラミックス粉末の濡れ性がＭｇの添加で既に改善されているので、それを別の融解したアルミニウム合金で希釈してもセラミックス粉末の充填率を３０〜３５vol%に上げても流動性が確保され、型であってその内部に有形のキャビティを有するものに注入することで更なる大型品やより複雑な形状品の複合材料を作製することが出来る優れた方法である。型であってその内部に有形のキャビティを有するものに注入する方法には、砂型／金型を用いた重力鋳造、ロストワックスに代表される精密鋳造、ダイキャストなど、一般にアルミニウム鋳造に使われる鋳造方法であれば、そのまま使える。
【０００６】
この鋳造用の複合材料の製造方法は、上記のランクサイド法の他にもこれまで多く研究されており、その製造方法としては、混合による方法が一般的である。この方法は、融解したアルミニウム合金中にセラミックス粉末を添加し、流動性を確保しつつ攪拌し均一に混合して製造する方法である。その粉末充填率は、一般的にはランクサイド社の方法ほどセラミックス粉末の充填率を上げることは出来なく、２０vol%程度が上限と言われている。
【特許文献１】特許2905520号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、これら鋳造用の複合材料の製造方法では、溶融した溶湯の流動性が確保されるといっても、未だ十分とは言えず、薄物、細い物、微細な物などの複合材料を鋳造する場合には、溶湯が鋳型に十分に行き渡らず鋳造不良を起すという問題があった。
本発明は、上述した鋳造用金属マトリックス複合体の製造方法が有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、溶融した溶湯の流動性を向上させることの出来る鋳造用金属マトリックス複合体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
即ち本発明は、金属マトリックス複合体を形成する方法であって、下記の工程：ＳｉＣ粉末と該ＳｉＣ粉末に隣接したＡｌ合金を、完全浸透するより過剰量を用意し、プロセスの少なくともある時点で雰囲気をＮ２とし、浸透増進剤を用意し、
該Ａｌ合金の融点より高い温度でＳｉＣ粉末に該Ａｌ合金を自発的に浸透させて、浸透物を生成し、該浸透物及びＡｌ合金の液化温度より高い温度を保持して溶融懸濁物を形成し、該浸透物及びＡｌ合金に対して、追加のAl合金を添加することなく、該溶融懸濁物を混合して分散させ、型であってその内部に有形のキャビティを有するものを用意し、該溶融懸濁物を該の型内の有形キャビティ中に注入しそして該懸濁物を冷却して有形の金属マトリックス複合体を形成することを含んでなることを特徴とする金属マトリックス複合体の形成方法（請求項１）、及び該Aｌ合金が、金属シリコンを５〜１５重量％含むことを特徴とする請求項1記載の金属マトリックス複合体の形成方法（請求項２）を提供する。
【０００９】
本発明では、ＳｉＣ粉末に該Ａｌ合金を自発的に浸透させ、そのまま冷却せず金属マトリックス複合体及びＡｌ合金の液化温度より高い温度を保持して溶融懸濁物を形成し、混合して分散させ、型内の有形キャビティ中に注入した。これにより、流動性が向上する理由の詳細は不明であるが、おそらくＳｉＣ粉末に該Ａｌ合金を自発的に浸透させその後冷却すると、そのプロセスのいずれかの段階でＳｉＣ粉末同士の凝集体が形成され、その後再度加熱して得られる溶融懸濁物を混合しても均一な分散状態を得るのが難しく、流動性が低下するためと考えられる。
【００１０】
上記ＳｉＣ粉末としては２〜８０μmの平均粒径を有するＳｉＣ粉末とし、そのＳｉＣ粉末に浸透させるマトリックス金属としては、Ｓｉを５〜１５重量％含むアルミニウムまたはその合金とする金属マトリックス複合体である。強化材としてＳｉＣ粉末を選定したのは、アルミニウムとの比重差が小さいため、均一な分散が出来ることによる。また、ＳｉＣ粉末の細かさを平均粒径で２〜８０μmとしたのは、２μmより細かいと、粉末が分散し難く、鋳造する際の機械的攪拌が難しく流動性が悪化し、安定した物性を有する金属マトリックス複合体を作製することが難しいことによる。
【００１１】
一方、含浸金属をＳｉを含むアルミニウムまたはその合金としたのは、Ｓｉを含まないと溶融したＡｌとＳｉＣとが反応し、Ａｌ４Ｃ３が生成して材料特性を低下させるので、その反応を抑えるため金属中にＳｉを含ませることにしたものである。その含有量としては、５〜１５重量％が好ましく、５重量％より少ないと、Ａｌ４Ｃ３の生成を抑える効果が小さく、また、鋳造する際の溶融金属の流動性が低下し、鋳造時に金属が型内に行き渡らない。逆に１５重量％より多いと、マトリックスであるアルミニウムまたはその合金が脆くなり延性が失われてしまう。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、強化材としてＳｉＣ粉末を用い、金属マトリックスとしてＡｌ合金を用いて作製した溶融懸濁物を型に注入、複合材料を作製する方法において、流動性に優れ、薄物、細い物、微細な物などの複合材料を鋳造する場合でも、鋳造不良がすくない金属マトリックス複合体を作製できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。先ず、強化材として２〜８０μmの平均粒径を有するＳｉＣ粉末を用意する。これにＭｇを適量加え、混合する。得られた混合粉末を容器内に充填し、その上にＳｉを含むアルミニウム合金のインゴットを載せ、Ｎ２雰囲気中で非加圧で７００〜１０００℃の温度でアルミニウム合金を浸透させる。そのまま冷却せず金属マトリックス複合体及びＡｌ合金の液化温度より高い温度を保持して溶融懸濁物を形成し、攪拌機で十分攪拌して分散させる。この溶融懸濁物を砂型、金型などの内部に有形のキャビティを有する鋳造用の型のキャビティ内に注入し、冷却した後、型から取り外して金属マトリックス複合体を得る。
【実施例】
【００１４】
次に本発明の実施例について説明する。
（実施例）
ＳｉＣ粉末（信濃電気精錬社製＃７００、平均粒径１８μｍ）にＭｇ粉末を２重量％添加し、混合して混合粉末を得た。得られた混合粉末を鋳造用の坩堝に充填した後、その上に混合粉末の２倍量のシリコン含有アルミニウム合金（Ａｌ−１０Ｓｉ）のインゴットを置いた。これにＮ２を導入、８００℃の温度で１２時間保持しアルミニウム合金を非加圧浸透させた後、そのまま冷却せず８００℃の温度を保持し、２時間攪拌して鋳造用金属マトリックス複合体の溶融懸濁物を作製した。それを、図１に示す試験用砂型に７００℃近傍で穴から流し込み、鋳造してその充填長さを測定した。その結果、充填長さは５８０mmと良好な結果を示した。また、鋳造物の嵩密度をアルキメデス法で測定し、ＳｉＣ粉末充填率を求めたところ、３０vol%で目標通りの金属マトリックス複合体が得られた。
【００１５】
（比較例）
比較のために、アルミニウム合金をＳｉＣ粉末に非加圧浸透させた後、一旦冷却して中間素材である複合体を形成し、その後得られた中間素材である複合体を８００℃の温度に加熱、２時間攪拌して鋳造用金属マトリックス複合体の溶融懸濁物とした以外は実施例と同様の方法及び手段で、金属マトリックス複合体を形成した。その結果、充填長さは３８０ｍｍであり、鋳造用としては使用できるものの薄物、細い物を鋳造するには十分な流動性ではなかった。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
本発明は、薄物、細い物、微細な物などの金属マトリックス複合体を鋳造により作製する場合に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る金属マトリックス複合体の溶融懸濁物の充填長さを測定する型を模式的に示す平面図。
【符号の説明】
【００１８】
1；試験用砂型
2；溶融物溜部
3；穴部
【図１】
2007204808.tif 000002